Using DNA sequences 5′ to open reading frames, we have constructed green fluorescent protein (GFP) fusions and generated spatial and temporal tissue expression profiles for 1,886 specific genes in the nematode Caenorhabditis elegans. This effort encompasses about 10% of all genes identified in this organism. GFP-expressing wild-type animals were analyzed at each stage of development from embryo to adult. We have identified 5′ DNA regions regulating expression at all developmental stages and in 38 different cell and tissue types in this organism. Among the regulatory regions identified are sequences that regulate expression in all cells, in specific tissues, in combinations of tissues, and in single cells. Most of the genes we have examined in C. elegans have human orthologs. All the images and expression pattern data generated by this project are available at WormAtlas (http://gfpweb.aecom.yu.edu/index) and through WormBase (http://www.wormbase.org).

Interactions between the early blastomeres in a C. elegans embryo are required for the specification of certain cell fates. Blastomeres that produce neurons and skin cells when cultured in isolation are induced to also produce pharyngeal cells in intact embryos. We have identified maternal effect lethal mutations that, on the basis of phenotype and temperature-sensitive period, appear to disrupt this inductive interaction. These mutations are all alleles of glp-1, a gene also involved in the control of germ cell proliferation during postembryonic development of C. elegans.

Understanding the evolution of the bilaterian brain requires a detailed exploration of the precise nature of cellular and subcellular differences between related brains. To define the anatomical substrates of evolutionary change in the nervous system, we undertook an electron micrographic reconstruction of the brain of the predatory nematode Pristionchus pacificus. A comparison with the brain of Caenorhabditis elegans, which diverged at least 100 million years ago, reveals a conserved nematode core connectome and a wide range of specific substrates of evolutionary change. These changes include differences in neuronal cell death, neuronal cell position, axo-dendritic projection patterns and many changes in synaptic connectivity of homologous neurons that display no obvious changes in overall neurite morphology and projection patterns. Differences in connectivity are distributed throughout the nervous system arguing against specific hot spots of evolutionary change and extend to differences in neuro/glia connectivity. We observed examples of apparent circuit drift, where changes in morphology and connectivity of a neuron do not appear to alter its behavioral output. In conclusion, our comprehensive comparison of distantly related nematode species provides novel vistas on patterns of conservation as well as the substrates of evolutionary change in the brain that span multiple organizational levels.

Neuromodulators shape neural circuit dynamics. Combining electron microscopy, genetics, transcriptome profiling, calcium imaging, and optogenetics, we discovered a peptidergic neuron that modulates C. elegans motor circuit dynamics. The Six/SO-family homeobox transcription factor UNC-39 governs lineage-specific neurogenesis to give rise to a neuron RID. RID bears the anatomic hallmarks of a specialized endocrine neuron: it harbors near-exclusive dense core vesicles that cluster periodically along the axon, and expresses multiple neuropeptides, including the FMRF-amide-related FLP-14. RID activity increases during forward movement. Ablating RID reduces the sustainability of forward movement, a phenotype partially recapitulated by removing FLP-14. Optogenetic depolarization of RID prolongs forward movement, an effect reduced in the absence of FLP-14. Together, these results establish the role of a neuroendocrine cell RID in sustaining a specific behavioral state in C. elegans.

Temperature sensitive (TS) alleles are important tools for the genetic and functional analysis of essential genes in many model organisms. While isolating TS alleles is not difficult, determining the TS-conferring mutation can be problematic. Even with whole-genome sequencing (WGS) data there is a paucity of predictive methods for identifying TS alleles from DNA sequence alone. We assembled 173 TS lethal mutants of Caenorhabditis elegans and used WGS to identify several hundred mutations per strain. We leveraged single molecule molecular inversion probes (MIPs) to sequence variant sites at high depth in the cross-progeny of TS mutants and a mapping strain with identified sequence variants but no apparent phenotypic differences from the reference N2 strain. By sampling for variants at ~1Mb intervals across the genome we genetically mapped mutant alleles at a resolution comparable to current standards in a process we call MIP-MAP. The MIP-MAP protocol, however, permits high-throughput sequencing of multiple TS mutation mapping libraries at less than 200K reads per library. Using MIP-MAP on a subset of TS mutants, via a competitive selection assay and standard recombinant mutant selection, we defined TS-associated intervals of 3Mb or less. Our results suggest this collection of strains contains a diverse library of TS alleles for genes involved in development and reproduction. MIP-MAP is a robust method to genetically map mutations in both viable and essential genes. The MIPs protocol should allow high-throughput tracking of genetic variants in any mixed population.

ABSTRACT Classic cell lineage studies in the nematode Caenorhabditis elegans as well as recent lineage tracing in vertebrates have shown that cells of the same type can be generated by distinct cellular lineages that originate in different parts of the developing embryo (“lineage convergence”). Several C. elegans neuron classes composed of left/right or radially symmetric class members display such lineage convergence, in that individual neurons of the same class derive from distinct, non-bilaterally symmetric lineages. We show here that the C. elegans Atonal homolog lin-32/Ato , a bHLH transcription factor, is differentially expressed in neuronal lineages that give rise to left/right or radially symmetric class members. Loss of lin-32/Ato results in the selective loss of the expression of panneuronal markers and terminal selector-type transcription factors that confer neuron class-specific features. We discovered that another bHLH transcription factor, the Achaete Scute-homolog hlh-14 is expressed in mirror image pattern to lin-32/Ato in a subset of the left/right symmetric neuron pairs and is required to induce neuronal identity and terminal selector expression on the contralateral side of the animal. These findings demonstrate that distinct lineage histories converge via distinct bHLH factors on the level of induction of terminal selector identity determinants, which thus serve as integrators of distinct lineage histories. We also describe neuron-to-neuron identity transformations in lin-32/Ato mutants, which we propose to also be the result of misregulation of terminal selector gene expression.

ABSTRACT Are there common mechanisms of neurogenesis used throughout an entire nervous system? Making use of the well-defined and relatively small size of the nervous system of the nematode C. elegans , we explored to what extent canonical proneural class I/II bHLH complexes are responsible for neurogenesis throughout the entire C. elegans nervous system. Distinct, lineage-specific proneural “class II” bHLH factors are generally thought to operate via interaction with a common, “class I” bHLH subunit, encoded by Daugtherless in flies, the E (E2A, E2-2, HEB) proteins in vertebrates, and hlh-2 in C. elegans . To eliminate function of all proneuronal class I/II bHLH complexes, we therefore genetically removed maternal and zygotic hlh-2 gene activity. We observed broad effects on neurogenesis, but still detected normal neurogenesis in many distinct neuron-producing lineages of the central and peripheral nervous system. Moreover, we find that hlh-2 selectively affects some aspects of neuron differentiation while leaving others unaffected. While our studies confirm the function of proneuronal class I/II bHLH complexes in many different lineages throughout a nervous system, we conclude that their function is not universal, but rather restricted by lineage, cell type and components of differentiation programs affected.

ABSTRACT It has been estimated that 15-30% of the ∼20,000 genes in C. elegans are essential, yet many of these genes remain to be identified or characterized. With the goal of identifying unknown essential genes, we performed whole genome sequencing on complementation pairs from legacy collections of maternal-effect lethal and sterile mutants. This approach uncovered maternal genes required for embryonic development and genes with putative sperm-specific functions. In total, 58 essential genes were identified on chromosomes III, IV, and V, of which 49 genes are represented by novel alleles in this collection. Of these 49 genes, 19 (40 alleles) were selected for further functional characterization. The terminal phenotypes of embryos were examined, revealing defects in cell division, morphogenesis, and osmotic integrity of the eggshell. Mating assays with wild-type males revealed previously unknown male-expressed genes required for fertilization and embryonic development. The result of this study is a catalogue of mutant alleles in essential genes that will serve as a resource to guide further study toward a more complete understanding of this important model organism. As many genes and developmental pathways in C. elegans are conserved and essential genes are often linked to human disease, uncovering the function of these genes may also provide insight to further our understanding of human biology.

Abstract The mechanisms that enable differential gene expression in daughter cells produced by asymmetric cell divisions are not well understood. We discovered that the eukaryotic replicative helicase CMG (Cdc45-MCM-GINS) is required for this process in C. elegans . During C. elegans development, some dividing cells give rise to a daughter that survives and a daughter that dies. We found that PSF-2 GINS2, a component of C. elegans CMG, is necessary for the transcriptional burst of the pro-apoptotic gene egl-1 BH3-only, which occurs in the daughter that dies immediately following mother cell division. We present evidence that this requirement is independent of the function of CMG in DNA unwinding. We propose that the recently described histone chaperone activity of CMG causes epigenetic changes at the egl-1 locus during replication in mother cells, and that these changes are required for the increase in egl-1 transcription in the daughter that dies. We also find that PSF-2 is required for the divergence of other cell fates during C. elegans development, suggesting that this function is not restricted to the regulation of egl-1 expression. Our work uncovers a new and unexpected role of CMG in cell fate and a novel intrinsic mechanism for gene expression plasticity in the context of asymmetric cell division.